聚光灯+法线贴图 shader

前几天看了两个shader分别是聚光灯和法线贴图，于是想把这两个shader结合起来，产生手电照射潮湿的凹凸墙面效果：

本想很容易就能实现但是由于之前不理解光照模型的计算原理，所以我改起来相当费劲，经过努力终于弄明白了两者的原理，然后写出了shader：

struct Mtrl
{
float4 ambient;
float4 diffuse;
float4 spec;
float specPower;
};

struct DirLight
{
float4 ambient;
float4 diffuse;
float4 spec;
float3 posW;
float3 dirW;
};

uniform extern float4x4 gWorldInv;
uniform extern float4x4 gWVP;
uniform extern float4x4 gWorld;     //世界矩阵
uniform extern Mtrl     gMtrl;
uniform extern DirLight gLight;
uniform extern float3   gEyePosW;
uniform extern texture gTex;
uniform extern texture gNormalMap;
uniform extern float3 gAttenuation012;  //光源衰减参数
uniform extern float gSpotPower;    //光源聚合度，越大聚合越小

sampler TexS = sampler_state
{
Texture = <gTex>;
MinFilter = ANISOTROPIC;
MaxAnisotropy = 8;
MagFilter = LINEAR;
MipFilter = LINEAR;
AddressU = WRAP;
AddressV = WRAP;
};

sampler NormalMapS = sampler_state
{
Texture = <gNormalMap>;
MinFilter = ANISOTROPIC;
MaxAnisotropy = 8;
MagFilter = LINEAR;
MipFilter = LINEAR;
AddressU = WRAP;
    AddressV = WRAP;
};

struct OutputVS
{
    float4 posH      : POSITION0;
    float3 toEyeT    : TEXCOORD0;
    float3 lightDirT : TEXCOORD1;
    float2 tex0      : TEXCOORD2;
    float4 posW      : TEXCOORD3;
};

OutputVS NormalMapVS(float3 posL      : POSITION0,
                     float3 tangentL : TANGENT0,
                     float3 binormalL : BINORMAL0,
                     float3 normalL   : NORMAL0,
                     float2 tex0      : TEXCOORD0)
{
    // 初始化输出结构体对象
OutputVS outVS = (OutputVS)0;

//创建TBN坐标系，用来计算法线贴图
float3x3 TBN;
TBN[0] = tangentL;
TBN[1] = binormalL;
TBN[2] = normalL;

// 将顶点渲染器输入的参数传入到TBN坐标系中
float3x3 toTangentSpace = transpose(TBN);

// 将摄像机的位置转换到本地坐标系中，只需乘上世界矩阵的转置逆矩阵就可以了
float3 eyePosL = mul(float4(gEyePosW, 1.0f), gWorldInv);

// 计算从顶点到摄像机的方向向量并转换到TBN坐标系中
float3 toEyeL = eyePosL - posL;
outVS.toEyeT = mul(toEyeL, toTangentSpace);

// 将灯光的方向转换到本地坐标系后，再转换到TBN坐标系中
float3 lightDirL = mul(float4(gLight.dirW, 0.0f), gWorldInv).xyz;
outVS.lightDirT = mul(lightDirL, toTangentSpace);

// posH为经过世界、观察、投影等坐标转换的最终可以直接渲染的顶点位置,其他的则转换到世界坐标系中
outVS.posH = mul(float4(posL, 1.0f), gWVP);
outVS.posW = mul(float4(posL, 1.0f), gWorld);
gLight.posW = mul(float4(gLight.posW, 1.0f), gWorld);   //将灯光坐标转换到世界坐标系
gLight.dirW = mul(float4(gLight.dirW, 1.0f), gWorld);   //将灯方向转换到世界坐标系
// 放大uv贴图的坐标，因为该图片使用了WRAP寻址模式，所以放大的效果是加倍纹理的uv平铺
outVS.tex0 = tex0*3.f;

// 返回输出结构体，然后将里面的内容传入到下面的像素渲染器里继续处理！
    return outVS;
}

float4 NormalMapPS(float3 toEyeT    : TEXCOORD0,
                   float3 lightDirT : TEXCOORD1,
                   float2 tex0      : TEXCOORD2,
                   float4 posW   :TEXCOORD3) : COLOR
{
// 单位化
toEyeT    = normalize(toEyeT);
lightDirT = normalize(lightDirT);

// 灯光向量即为灯光方向的相反
float3 lightVecT = -lightDirT;

// 对法线纹理进行采样
float3 normalT = tex2D(NormalMapS, tex0);

// 将法线参数范围从[0, 1] 转换到[-1, 1]
    normalT = 2.0f*normalT - 1.0f;

//单位化
normalT = normalize(normalT);

// 计算镜面光向量
float3 r = reflect(-lightVecT, normalT);

// 计算将有多少镜面光射入到人眼中
float t = pow(max(dot(r, toEyeT), 0.0f), gMtrl.specPower);

// 通过灯光向量和法线向量的夹角来决定漫反射光的强度
float s = max(dot(lightVecT, normalT), 0.0f);

// 如果漫反射强度过低则将镜面光置零
if(s <= 0.0f)
      t = 0.0f;

// 计算三个系数 spec diffuse 随时变化 ambient 保证物体总是有一定的亮度
float3 spec = t*(gMtrl.spec*gLight.spec).rgb;
float3 diffuse = s*(gMtrl.diffuse*gLight.diffuse).rgb;
float3 ambient = gMtrl.ambient*gLight.ambient;

// 对原纹理进行采样
float4 texColor = tex2D(TexS, tex0);

//计算锥光源衰减参数
float d = distance(gLight.posW, posW.xyz);
float A = gAttenuation012.x + gAttenuation012.y*d + gAttenuation012.z*d*d;
float3 lightVector = normalize(gLight.posW - posW.xyz);
gLight.dirW = normalize(gLight.dirW);
// 计算聚光灯系数
float spot = pow(max(dot(-lightVector, gLight.dirW), 0.0f), gSpotPower);

//最终颜色

float3 color = spot*2.f*( ambient*texColor.rgb +diffuse*texColor.rgb /A+spec);
// 输出颜色
return float4(color, gMtrl.diffuse.a*texColor.a);
}

technique NormalMapTech
{
    pass P0
    {
        vertexShader = compile vs_2_0 NormalMapVS();
        pixelShader = compile ps_2_0 NormalMapPS();
    }
}

一定要搞清各坐标系中的计算不要弄混。对于shader的调试也很重要，SDK中可以做到，也可以借助renderMonkey，但是我还不熟，有空研究一下，这工具会非常的方便。

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